Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

В кабинете пусто и тихо. Я представляю себе, как Эйнштейн размышляет, откинувшись на спинку кресла. Он вспоминает драматичное событие, свидетелем которого стал, и проигрывает в голове его альтернативные концовки. Рабочий соскальзывает, хватается за флагшток, и тот сгибается под его весом, но удерживает. Рабочий соскальзывает, хватается за флагшток, тот сгибается под его весом, а потом резко разгибается, выбрасывая рабочего в свободный полёт.

Эйнштейн представляет себе, что произошло бы, если бы флагшток не удержал человека, и у него сводит живот. Он хватается за стол и пытается восстановить дыхание. Говорят, что в таких обстоятельствах время замедляется, почти останавливается, и перед глазами падающего человека успевает пролететь вся жизнь. Но что, если падать можно было бы бесконечно?

Он представляет себе падение в месте, где нет ни воздуха, ни ветра, способных остановить его движение. Он падает через время и пространство, через звёзды, небеса и всё, что между ними. Он падает до тех пор, пока не забывает о падении. [150] «Я падала, падала сквозь время и пространство, сквозь небо, и звёзды, и всё, что между ними. Я падала днями и неделями, как будто проживая одну жизнь за другой. Я падала до тех пор, пока не забыла, что падаю». Rothenberg J. The Catastrophic History of You and Me. — London: Penguin, 2012.

Внезапно, как молния, к нему приходит озарение.

Он вскакивает на ноги, отталкивая кресло назад, понимая, что только что нашёл краеугольный камень, на котором можно построить новую реальность. В старости он назовёт это осознание самой радостной мыслью в своей жизни. Всё настолько очевидно, что он смеётся вслух в пустой комнате.

Падающий человек не ощущает своего веса!

Действительно ли Эйнштейн видел падающего с крыши рабочего и это придало ему вдохновения? Или какое-то другое, менее драматичное событие вызвало к жизни эту мысль? Мы можем лишь воображать, но никогда не узнаем. Эйнштейн рассказывал только о том, что однажды, в 1907 году, ему в голову пришла, казалось бы, совершенно невинная идея, которая позволила ему в итоге перевернуть ньютоновские представления о реальности.

Но почему именно мысль о падающем человеке, не чувствующем своего веса, оказалась такой важной? Представьте себе ситуацию.

Человек едет в лифте, как вдруг трос обрывается. [151] К счастью, все лифты сегодня имеют системы безопасности и, если трос оборвётся, лифт просто остановится в шахте. Это неприятно, но вряд ли смертельно. Пассажир тут же оказывается в свободном падении. Предположим, всё это время он стоял на весах (да, это не самый реалистичный пример). Только что весы показывали 70 килограммов, а через секунду — уже ноль. Именно это и означает не чувствовать своего веса при падении.

Согласно Ньютону, из-под воздействия гравитации вырваться невозможно, потому что она лишь ослабевает с расстоянием, но никогда не исчезает полностью. Согласно Эйнштейну, гравитацию легко можно обойти. Всё, что для этого нужно, — свободное падение. Гравитация исчезает, и человек теряет свой вес.

Ситуация с падающим человеком аналогична ситуации с человеком, находящимся в открытом космосе вдали от притяжения любой из планет. Таким образом, возникает связь между законом всемирного тяготения и специальной теорией относительности, потому что в обоих описанных случаях действует последняя.

Стрелка на весах в падающем лифте остаётся на нуле, потому что одновременно с тем, как человек падает на весы, весы падают из-под его ног. Иными словами, человек падает с той же скоростью, что и весы, хотя он весит 70 килограммов, а весы — ощутимо меньше.

Тот факт, что все предметы (а не только 70-килограммовые люди и весы) падают под воздействием силы притяжения с одинаковой скоростью, был впервые отмечен Галилеем в XVII веке. Согласно легенде, он сбрасывал тяжёлые и лёгкие предметы с вершины Пизанской башни, и они касались земли одновременно.

На Земле подобные эксперименты усложняет сопротивление воздуха, которое замедляет падение предметов, имеющих большую площадь. Но в 1972 году командир «Аполлона-15» Дейв Скотт повторил опыт Галилея на Луне, где, разумеется, воздуха нет. Он сбросил молоток и перо с одинаковой высоты, и два облачка лунной пыли в месте их падения поднялись одновременно.

Тот факт, что под влиянием силы притяжения все тела падают с одинаковой скоростью, на самом деле достаточно необычен. Представьте себе, что будет, если приложить одинаковую силу к предметам с большой и малой массой, например к полному еды холодильнику и деревянной табуретке. Повседневный опыт подсказывает нам, что ускорение холодильника будет меньше, ведь большую массу сложнее столкнуть с места, чем массу поменьше. [152] В идеале этот эксперимент нужно проводить на катке, чтобы исключить трение! Большие массы сильнее сопротивляются движению, то есть имеют большую инерцию. По сути, это сопротивление движению и есть основа понятия «масса».

Странность гравитации состоит в том, что, даже несмотря на большие усилия, которые нужно приложить, чтобы сдвинуть с места большую массу, сила притяжения как будто подстраивается под неё таким образом, что массивный и лёгкий предметы всё равно падают с одинаковой скоростью. Тело, которое в два раза массивнее другого тела, испытывает в два раза большее влияние силы притяжения. Если тело массивнее другого в три раза, то и значение силы притяжения для него тоже будет выше в три раза, и так далее. Сбросьте холодильник и табуретку с вершины Пизанской башни (а ещё лучше на Луне, чтобы не задеть людей и избежать сопротивления воздуха), и они упадут одновременно, как молоток и перо, брошенные Дейвом Скоттом.

Технически сопротивление тела попыткам столкнуть его с места зависит от его инерционной массы m i . И это отражено во втором законе Ньютона, утверждающем, что если тело подвержено воздействию силы F , то его ускорение равняется F / m i . Сила притяжения, влияющая на тело, определяется его гравитационной массой m g .

Тело, инерционная масса которого в два раза больше инерционной массы другого тела, будет в два раза сильнее сопротивляться попыткам сдвинуть его с места. При этом оно падает с той же скоростью, что и тело меньшей массы, так как на него воздействует увеличенная в два раза сила тяжести. Иными словами, сопротивление тела движению, зависящее от инерционной массы, действует синхронно с силой притяжения, зависящей от гравитационной массы. Значит, можно сказать, что гравитационная масса m g и инерционная масса m i идентичны.

Со времён Галилея учёные полагали, что сопротивление тела движению и сила тяжести — это две совершенно разные вещи. И действительно, они не кажутся связанными между собой. Требовалась гениальность Эйнштейна, чтобы понять, что все эти учёные ошибались, а вернее, не видели того, что было прямо у них под носом. Тот факт, что падающий человек не чувствует своего веса (или, иными словами, что все тела под влиянием силы тяжести имеют одинаковое ускорение), может означать лишь одно. Гравитационная масса и инерционная масса — это одно и то же. Гравитация сама по себе является ускорением.